基于STM32L151的便攜式氣體檢測儀設計　

作者 / 何源 黃夢(mèng)濤 王偉峰

　　西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院(陜西 西安 710054)

　　何源(1990-)，男，嵌入式系統設計師，研究方向：智能傳感器、工業(yè)控制系統、物聯(lián)網(wǎng)。

摘要：針對環(huán)境有毒有害氣體檢測，本文設計了一種可同時(shí)檢測多種氣體的便攜式氣體檢測儀。該設計通過(guò)使用TI公司的新型電化學(xué)模擬前端芯片LMP91000和高精度ADC芯片ADS1115改善硬件統一性和硬件測量精度;微控制器STM32L151軟件設計中通過(guò)數字濾波和溫度補償提高氣體檢測的溫度穩定性和精度。

引言

　　環(huán)境中常見(jiàn)的有毒有害氣體如：氨氣(NH₃)、二氧化硫(SO₂)、一氧化碳(C0)、硫化氫(H₂S)、氮氧化物(NO_X)等。對于上述有毒有害氣體都有對應的電化學(xué)傳感器;電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)勢是：線(xiàn)性輸出、低功耗、良好的分辨率、良好的重復性和準確性，所以電化學(xué)傳感器在氣體檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應用^[1-4]。

　　現如今市場(chǎng)中大部分多合一氣體檢測儀是以分立元件組建的電化學(xué)傳感器前端調理電路而且以微控制器自身10位或者12位的ADC轉換器作數據采集，很多產(chǎn)品沒(méi)有考慮溫度對電化學(xué)傳感器的影響;因此其在溫度穩定性和精度上不盡人意。對此，本文通過(guò)改善硬件電路設計和找尋有效的溫度修正方法，從而提高氣體檢測的溫度穩定性和精度。

1 電化學(xué)傳感器工作原理

　　目前大部分電化學(xué)傳感器都是三電極結構，其工作原理是氣體通過(guò)選擇型敏感膜擴散到傳感器內，并與傳感器內化學(xué)溶液產(chǎn)生氧化反應或者還原反應，并在在工作電極上產(chǎn)生電流信號，其反應類(lèi)型決定工作電極上的電流方向^[3,7]。

　　簡(jiǎn)化三電極電化學(xué)傳感器調理電路如圖1所示。工作電流在對電極與工作極之間流動(dòng)，通過(guò)A2運放器將電流信號轉化為電壓信號。分立電路中調整RF的值，使A2輸出的值滿(mǎn)足后端轉換電路的要求^[5]?？梢钥闯龇至⒄{理電路較為復雜，由于分立元件個(gè)體差異調整難度較大，同時(shí)引入誤差也隨之增大。

　　采用LMP91000芯片可極大簡(jiǎn)化調理電路的設計，提高調理電路的可靠性。芯片內部結構圖如圖2所示。芯片內部具有可編程的增益控制和基準電壓控制，能夠適應多種電化學(xué)傳感器，芯片通過(guò)I²C 總線(xiàn)與微控制器通信。I²C總線(xiàn)可掛接多個(gè)芯片從而實(shí)現多氣體檢測傳感器陣列的設計。其內部寄存器在官方數據手冊中已有詳細的說(shuō)明，在此就不再贅述。

　　根據運算放大器虛短虛斷的特性可得到以下表達式：

(1)

　　式中，V_{ref_div}為基準電壓，V_out為LMP91000輸出電壓，I_we為電化學(xué)傳感器工作電流?！朗怯呻娀瘜W(xué)傳感器性質(zhì)所決定的。

　　測量氣體濃度與電化學(xué)傳感器工作電流的關(guān)系表達式：

(2)

　　表達式中C為被測氣體濃度，SI為電化學(xué)傳感器靈敏度。

　　以上表達式中R_TIA、V_{ref_div}、S_I都為已知量，測量V_out就能推算出被測氣體濃度C。

2 硬件系統設計

　　硬件系統框圖如圖3所示，硬件系統主要由微控制器、溫濕度傳感器、ADC轉換器、電化學(xué)傳感器調理電路、顯示和按鍵控制組成。使用REF3020高精度電壓基準芯片提供基準電壓，電化學(xué)傳感器調理電路使用LMP91000，ADC轉換器使用ADS1115，這三個(gè)要素是保證硬件電路高精度測量的基礎。

3 軟件系統設計

　　軟件主要部分流程圖如圖4所示，其余顯示和控制部分程序不是本文重點(diǎn)，在此不予闡述。其中最為重要的是數字濾波與溫度曲線(xiàn)修正兩個(gè)步驟。

　　3.1 數字濾波

　　對于數字濾波本文主要使用中值加均值的綜合濾波方法，即先為采集的n個(gè)電化學(xué)輸出值集合Sn排序得到新的集合Tn，根據實(shí)際情況去掉集合Tn頭尾m個(gè)數，然后再求集合中剩下數的平均值，即;此方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。

　　3.2 溫度曲線(xiàn)修正

　　電化學(xué)傳感器的工作溫度一般在-20℃~50℃，在其極限工作溫度下傳感器壽命非常短。在溫度為20℃時(shí)，電化學(xué)傳感器被看作沒(méi)有溫漂，即20℃為電化學(xué)傳感器的中心溫度;因此本文計算溫度擬合曲線(xiàn)就以20℃時(shí)的數值為基準點(diǎn)。以一氧化碳傳感器4CO-2000為例，在-5℃~50℃溫度區間，以5℃遞增;分別使用一氧化碳含量為250ppm、706ppm、1001ppm、1701ppm標氣做高低溫實(shí)驗，實(shí)驗溫度曲線(xiàn)如圖5(a)所示，實(shí)驗溫漂曲線(xiàn)如圖5(b)所示，實(shí)驗溫漂比曲線(xiàn)如圖5(c)所示，實(shí)驗平均溫漂比曲線(xiàn)如圖5(d)所示。

　　溫漂值是以20℃時(shí)的測量值為基準值，分別與其他溫度下測量值作差得到的集合。溫漂比值是以20℃時(shí)的測量值為基準值，分別與溫漂值集合中的值作比得到的集合。平均溫漂比值是4種標氣實(shí)驗中得到的溫漂比值，在同一個(gè)溫度點(diǎn)做算術(shù)平均得到的集合。

　　從溫漂比曲線(xiàn)圖(圖5(c))中不難看出，傳感器在各個(gè)標氣溫度實(shí)驗中變化趨勢基本是一致的，再用平均溫漂比曲線(xiàn)(圖5(d))作最小二乘法多項式曲線(xiàn)擬合，就可得到比較適合的溫度修正擬合曲線(xiàn)。

　　溫度修正擬合曲線(xiàn)(K_(T))一般是兩次或者三次多項式的計算，它的參數即為實(shí)時(shí)的溫度值，計算得到是當前溫度下的偏差比值;因此完整的公式為：

(3)

　　表達式中V_(T)為修正后的氣體濃度值;V為未修正的氣體濃度值;K_(T)為溫度修正擬合曲線(xiàn)。

4 性能測試

　　將高低溫實(shí)驗后擬合的溫度曲線(xiàn)加入嵌入式軟件程序中，將氣體檢測儀在純氮氣中進(jìn)行校零。再次在-5℃~50℃的溫度區間進(jìn)行性能測試，同樣以CO傳感器為例測試結果如表1所示。

　　由表1中的數據可以看出，CO傳感器溫度在-5℃~50℃區間內，對4種標氣的測量誤差都保持在了±4ppm范圍內，有效的證明了本文中提取溫度修正擬合曲線(xiàn)的方法是可行、有效的。此方法在氣體檢測儀其他傳感器如：O₂傳感器、H₂S傳感器、SO₂傳感器、NH₃傳感器中得到同樣驗證。

5 結論

　　本文討論了基于STM32L151的便攜式氣體檢測儀的設計和實(shí)現，對其硬件電路結構及關(guān)鍵的數字濾波與溫度修正方法進(jìn)行了詳細的介紹。通過(guò)大量高低溫實(shí)驗證明：本文提出以“平均溫漂比”作參考樣本計算溫度修正擬合曲線(xiàn)，要比溫度分段式溫度修正方法[6~7]更為有效。為氣體檢測領(lǐng)域硬件結構設計和修正方法提供了新的參考。但是由于電化學(xué)傳感器自身的保質(zhì)期一般在1~5年不等，期間其特性會(huì )發(fā)生細微變化，可通過(guò)定期校準能減小此變化對測量的影響。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第49頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。